Компьютерные интегрированные системы

Общая структура дисциплины
Модуль 1: Комплексная микроминиатюризация и современные технологии сборки элементной базы
Модуль 2: Многоуровневые коммутационные системы. Технологии внутриячеечного и особенности межъячеечного монтажа

Состав модуля 1:
Комплексная микроминиатюризация электронной аппаратуры.
Роль компьютерно-интегрированных технологий монтажа и сборки в обеспечении тактико-технических характеристик современной электронной аппаратуры.
Элементная база и ее влияние на конструкцию микроэлектронной аппаратуры.
Пути развития компьютерно-интегрированных технологий в сборочно-монтажном производстве современных электронных средств и изделий микросистемной техники.
Модуль 1: Комплексная микроминиатюризация и современные технологии сборки элементной базы
Корпусные интегральные микросхемы.
Государственные, отраслевые и международные стандарты.
Бескорпусная элементная база и её конструктивное исполнение.
Особенности сборки и монтажа бескорпусных микросхем на гибких полиимидных носителях.
Конструктивно-технологические ограничения при проектировании СБИС модификации 2.

Бескорпусная элементная база (б/к)
Находит широкое применение и отвечает всем проблемам комплексной миниатюризации. б/к имеет свой отраслевой стандарт: ОСТ В 11.0305.
Модификация 1: с гибкими проволочными выводами.

Модификация 2: с ленточными выводами (кристалл на ленточном полиимидном носители с Al или Cu выводами).

Модификация 3: с жесткими выводами, шариковыми и столбиковыми.

Модификация 4: кристалл в пластине.
Модификация 5: кристалл на общей платине, разделенной без потери ориентации.

БИС модификации 1 выполняется наиболее простым технологическим приемом, путем приварки проволочных выводов к КП кристалла. Для выводов используют материал с высокой электропроводимостью (Al, Au, Ni). Если использовать Al, то лучше применять ультразвуковую сварку (УЗC). Au и Ni допускают как УЗC сварку, так и термокомпрессионную, или контактную. Автоматизация б/к БИС модификации 1 на этапе монтажа крайне затруднена, так как кристалл имеет более 60 выводов.
Диаметр используемой проволоки ≈ 30-100 мкм.
Золотая проволока от 7 мкм.
Поэтому для монтажа и сборки применяют конструктивно-технологическую плату. Однако такое конструктивное усовершенствование не обеспечивает автоматизацию внешних выводов. Поэтому стали развиваться методы создания БИС с организованными выводами полностью отвечающим компьютерно – интегрированной технологии.
Модификация 1

Б/к БИС с организованными выводами (модификации 2 и 3).
В БИС модификацию 2 подразделяют:
с жесткими балочными выводами.
с гибкими ленточными выводами (Al и Cu).
Конструктивной особенностью БИС модификации 2 является применение гибкого носителя, который обеспечивает в своем конструктиве наличие проводов, как для разварки на КП кристалла, так и для монтажа уже годной БИС в ячейку.

Зона А – для монтажа КП кристалла к ленточному носителю.
Зона В – для монтажа ленточного носителя к монтажной плате.
Зона С – для измерения кристалла и проведения электротермотоковой тренировки.
Технологически, после присоединения выводов к кристаллу в зоне А, производится нанесение защитного покрытия и его отверждение. Затем, после технологического испытания микросхемы поступаю на измерение. На участке монтажа микросхему «вырубают» из носителя по линии А1А2. Затем, после формовки выводов, микросхема поступает монтироваться в ячейку. При проектировании гибкого носителя необходимо выполнять 3 основные и 1 дополнительную рамку.

Конструктивные элементы:
1 полимерная сетка
2 армированная сетка.
Отверстия предназначены для сцепления защитного покрытия с кристаллом.
Защитное покрытие закрывает и сварную точку и дополнительно защищает поверхность кристалла от механических и динамических воздействий.
Лучшие результаты дают только сплошные армированные фрагменты над кристаллом (вып. Роль кристалла), однако прочность сцепления с кристаллом не значительно и для БИС с повышенным требованиями по механической стойкости, такой конструктив не желателен.
Шаг выводов выполнятся в соответствии с ОСТ В 11.0305.
Шаг выводов в зоне А соответствует шагу выводов кристалла.
Шаг выводов в зоне В не менее 0,3 мм (по ОСТу 2,5; 1,25; 0,625; 0,5; 0,3).
Шаг выводов в зоне С составляет минимум 1,25 мм, чаще всего 2,5.

В соответствии с ОСТ подразделяется на:
однослойные (Al, Cu).
двухслойные (Al, Cu).
трехслойные (Cu с выступами, Al без выступа).
Гибкий носитель представляет ленту, на которой выполнен технологический рисунок выводов. Однослойные выполняются на Al или Cu фольге. Часто используется для корпусных БИС, для изготовления рамок в пластмассовых корпусах.
Для БИС модификации 2 находят широкое использование 2-хслойные и 3-хслойные.
Изначально развитие получили 3-хслойные:
Гибкие носители.

Для формирования рисунка топологии проводников и полимерных рамок используют фотолитографию. С целью снижения трудоемкости печать проводят по двойному (сваренному) фотошаблону.
Недостатком 3-хслойных носителей является трудность очистки выводов от ПАВ. Так же используют негативный фоторезист. Поэтому активно стали развиваться 2-хслойные носители. Технологически формируется не термокомпрессией, как 3-хслойные, а путем полива через фильеры на фольгу.

Основные полимерные материалы для носителей:
полиимид.
тефлон.
полиэтилен.
Технические характеристики носителей:
рабочая температура.
влагопоглащение.
ТКЛР.
диэлектрическая пронициаемость.
Наилучшие показатели у полиимидной пленки, именно ее высокая рабочая температура ≈ 3500C, и ее высокая диэлектрическая пронициаемость обеспечивает широкое развитие БИС модификации 2. Минимальная толщина полиимида до 12 мкм.

Принципиальным моментом ОСТ В11.0305. для БИС модификации 2, является запрещение располагать КП в углах кристалла.

Конструктивно – технологические особенности сборки и монтажа БИС модификации 2 с медными выводами.
Технологические особенности такой сборки является то, что материал КП кристалла является Al, что предполагает микроконтактирование посредством сварки, а материал гибкого носителя является Сu, что предполагает контактирование пайкой. Поэтому с целью получения единого процесса микроконтактирования необходимо модифицировать либо КП кристалла под пайку, либо гибкий носитель под сварку. Модификация КП кристалла производиться либо путем облуживания, с предварительным нанесением легкоплавкого материала (медь, никель), либо сухими процессами, путем приварки легко паяемых материалов в форме шарика.
Сr (V, Ti) – Cu – > облуживание SnPb (ПОС).
Этот вариант является крайне нежелательным для МОП структур, так как является «сырым». Поэтому активно применяется метод сухого процесса – УЗ присоединение Au проволоки шариком встык.

Формирование шариков возможно 2-я способами:
газовая горелка.
высоковольтный разряд.
В настоящее время активно используется метод высоковольтного разряда, поскольку он исключает образование конденсата на поверхности кристалла в случае газовой горелки.
Второй особенностью является то, что в конструкции гибкого носителя можно и целесообразно охранную рамку не выполнять, так как вывод носителя расположен над кристаллом на высоте не менее 50 мкм и опирается на ПМВ. Шарик до сварки приобретает диаметр приблизительно 3 диаметра проволоки. Следует отметить что модификация производится и вывода носителя таким же образом.
Рисунок на доске

Если модифицировать КП кристалла, то производится монтаж посредствам пайки. Если модифицируется вывод носителя, то микроконтактирование проводят путем сварки.
Аналогичные процессы модифицирования требуются и для БИС мод.2 с Al выводами. Только в этом случае модифицируется монтажная часть (зона B) вывода носителя.

БИС модификации 3.
Характерной особенностью является наличие ПМВ (паяемые микровыступы) на кристалле. Монтажное знакоместо на плате составляет не более размера самого кристалла. Для сравнения в DIP корпусе монтажное место больше на 2 порядка, чем размер кристалла. Однако за счет сложностей измерения и монтажа, этот конструктив немного уступает по промышленному применению конструктиву модификации 2.
Технологические особенности формирования шариковых (столбиковых) выводов.
Изначально формирование шариков проводили путем размещения на КП кристалла таблеток припоя, с последующим их оплавлением.
1 – шариковый вывод после оплавления;
2 и 3 - контуры таблетки припоя;
4, 5 и 6 - напыленные слои;
7 - алюминиевая контактная площадка)
Основные недостатки:
Высокая трудоемкость.
Разновысотность.

Вслед за методом таблетки припоя с целью воспроизведения по высоте предложено использовать твердые Cu шарики с тонким легкоплавким покрытием.
Основные недостатки:
Высокая трудоемкость.
Требуется индивидуальное размещение шариков.
КП (Al-Cr-Cu-Ni)
Cu шарик
SnPb

Гальванический метод формирования шариков.
1 - припойное покрытие; 2 - слой Cu, напыленный с подслоем TiW; 3 - слой пассивации Si3N4 дополнительно к SiO2; 4 - алюминиевая контактная площадка
Этот метод принципиально снизил трудоемкость.
Недостатки:
из-за «сырого» процесса невозможно формирование ПМВ на МОП структурах.
из-за разности плотности тока в центре пластины и по краям наблюдается разновысотность ≈ 20%.
низкая надежность, из-за того, что под телом шарика остается фоторезист (трудноудалимый).

Современные технология формирования ПМВ гальваническими методами основана на достижениях тонкопленочной тохнологии полученя толстых слоев Cu в вакууме.
Именно магнетронные методы распыления позволили получать многокомпонентные тугоплавкие слои (адгезионный подслой) псевдосплава Ti-W который «раскисляет» Al2О3, обеспечивая высокую прочность сцепления. На этот подслой наносят толстый слой меди, после чего осуществляют тонкое мерное облуживание. Данный метод позволяет повысить разрешающую способность (плотность создания шаров) и хорошей воспроизводимостью по высоте. Однако и этот метод характеризуется все теми же недостатками:
Сырой процесс.
Высокая трудоемкость и дороговизна, поскольку нанесения ПМВ производят на все кристаллы пластины.

Кардинальным решением является переход ПМВ на сухие процессы – использование сварки. В этом случае ПМВ формируются только на годных кристаллах. Первым решением такого процесса было применение Au шариков.
Основным ограничением данного метода являлось то, что для его реализации требуются высокие температуры (350 °С), а при таких температурах по диалгарме состояния Au-Al возможно образование интерметаллидов, которые все имеют повышенное объемное сопротивление и являются хрупкими.
Поэтому в настоящее время активно развиваются методы УЗ присоединения, которые обеспечивают T < 150 °С. Au, Sn –шарики.

С частичным погружением ПМВ в припой.
С полным погружением
Особенности монтажа БИС мод.3 на плату
Геометрия объемного вывода:
При утапливании шарика происходит расклинивание и, как следствие, отслаивание.
α
Высота шарика должна быть не менее высоты облуженной КП платы.

Сравнительные характеристики б/к БИС

ТТХ можно видеть из таблицы для 64х выводной БИС